Фазовые диаграммы систем с отсутствием растворимости в твердом состоянии. Фазовые диаграммы эвтектических и перитектических систем.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком, но ограниченно в твердом состоянии и образуют механические смеси в результате эвтектической реакции (рис.43). Предельная растворимость компонента В в компоненте А определяется точкой р и эта растворимость при нагреве не меняется. Предельная растворимость компонента А в компоненте В определяется точкой к. Следовательно, сплавы, состав которых лежит левее (сплав I) или правее (сплав II) этих точек, кристаллизуются точно также, как сплавы предыдущей диаграммы состояний.

Сплав III называют эвтектическими (наиболее легкоплавким). Он кристаллизуется изотермически с одновременным выделением двух твердых фаз, определенной концентрации; твердого раствора α, концентрации точки Е и твердого раствора β – концентрации точки F. В результате образуется механическая смесь, которую называют эвтектикой:

Ж_с→ эвтектика (α_Е + β_F).

Эвтектический процесс протекает изотермически и при постоянной концентрации фаз, так как в двухкомпонентном сплаве одновременно присутствуют три фазы. Число степеней свободы системы равно нулю:

с = к + 1 – ф = 2 + 1 – 3 = 0.

Для эвтектики характерно определенное количественное соотношение фаз, которое остается постоянным во всех сплавах данной системы элементов. Так, для диаграммы (рис.43) количественный состав фаз в эвтектике определится отрезками α_Е/ β_F = СF/ЕС.

На рис. 44, б в виде схемы показана пластинчатая эвтектика. Кристаллы α и β в эвтектике имеют форму пластин и равномерно чередуются между собой, образуя колонии.

В доэвтектическом сплаве IV(см. рис. 43) эвтектическому превращению предшествует выделение, в интервале температур точек 1 – 2, кристаллов α из жидкого раствора. В результате этого выделения оставшаяся жидкая фаза обогащается компонентом В. В связи с этим охлаждение до температуры точки 2 приведет к образованию в сплаве двух фаз Ж_с + α_Е. Количество этих фаз в сплаве определится соотношением отрезков

При температуре точки 2 жидкая часть сплава превратится в эвтектику:

Ж_с + α_Е

↓

Конечная структура до эвтектического сплава V кристаллизация в интервале температур точек 1 – 2 сопровождается выделением β-фазы, богатой более тугоплавким компонентом В, что приводит к обеднению жидкого раствора этим элементом. Состав выделяющихся кристаллов β изменяется о точки 1′ до точки F, а состав жидкой фазы – от точки 1 до точки С.

При охлаждении до температуры точки 2 сплав приобретает структуру

Ж_с + β_F; при этом количество этих фаз определится соотношением отрезков:

При температуре точки 2 жидкая часть сплава превратится в эвтектику:

Ж_с + β_F

↓

Конечная структура такого сплава.

Из сказанного становится ясно, что все доэвтектические и заэвтектические сплавы в своей структуре при комнатной температуре имеют эвтектику, состав фаз в которой, как уж отмечалось, остается во всех случаях постоянным. Однако количество эвтектику в сплавах будет различно, так как эвтектика образовалась из жидкой фазы концентрации точки С, а это количество в сплавах различного состава различно, потому что

определяется отрезком Е2. Чем ближе сплав по своему составу к эвтектическому, тем больше в нем эвтектики (см. рис. 43).

Количественное соотношение структурных составляющих в сплавах (эвтектику следует считать именно структурной составляющей), иллюстрирует структурная диаграмма, приведенная на рис. 43 для комнатных температур. Такие диаграммы строят в координатах: химический состав сплава (ось х) – количественное процентное содержание структурных составляющих в сплавах (ось у). все линии этой диаграммы должны быть прямыми, так как структурные составляющие образуются из фаз, количество которых определяется правилом отрезков.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворяются в жидком состоянии, но практически не растворимы друг с другом в твердом состоянии и образуют механические смеси в результате эвтектической реакции (рис.45). Твердые фазы в сплавах такого

типа – это химически чистые компоненты, либо промежуточные фазы постоянного стехиометрического состава.

Структура эвтектического сплава, а также до и заэвтектических сплавов может выглядеть также, как это показано на рис.44. Такой тип диаграммы состояний имеют сплавы Рb – Sb, Sn – Zn.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворяются в жидком состоянии, ограниченно – в твердом и образуют механические смеси в результате перитектической реакции (рис.46). Твердые растворы α и β – это твердые растворы ограниченной растворимости.

В сплавах с содержанием компонента В меньше, чем это определяет точка а, либо больше, чем определяет точка в, кристаллизация приводит к образованию однофазных сплавов α и β (соответственно).

Сплав I называют перитектическим. После предварительного выделения β – кристаллов из жидкой фазы сплав при температуре точки б испытывает перитектическое превращение, в результате которого жидкая фаза Ж _а и твердая фаза β_в, взаимодействуя между собой, создают новую твердую фазу α _б.

Ж _а + β_в→ α _б.

Количество фаз Ж _а β_в, необходимое для образования фазы α _б определится следующим соотношением:

.

Подсчет числа степеней свободы в интервале температур кристаллизации между точками 1 – б и при температуре перитектической реакции дает следующие значения:

с = к + 1 – ф = 2 + 1 – 2 = 1 при t₁;

с = к + 1 – ф = 2 + 1 – 3 = 0 при t_абв.

Следовательно, кристаллизация в первом интервале протекает при переменной температуре. При этом каждой температуре соответствует определенная концентрация фаз (при t₁ фазовый состав Ж _а′ + β_в ′ ).

Перитектический процесс идет изотермически при постоянной концентрации фаз.

В сплавах до- и запериктектических при температуре перитектической реакции имеет место избыток жидкой фазы или β-фазы соответственно. В связи с этим в заперитектических сплавах (сплав II) перитектическая реакция заканчивается также образованием новой α-фазы, но избыток β-фазы остается.

Ж _а + β_в→ α _б + β_в (ост).

В результате сплав приобретает структуру механической смеси, состоящей из кристаллов двух типов α и β (рис. 47). В отличие от эвтектической смеси, в которой обе фазы выделяется одновременно и равномерно чередуются, механические смеси, получающиеся при периктектическом превращении характеризуются тем, что фаза, выделившаяся ранее (в нашем случае, это β-фаза), окружена фазой, выделившейся позднее. Кроме этого, количественное соотношение фаз в такой смеси переменно: чем ближе сплав к концентрации перитектического состава, тем в нем больше фазы α .

Для доперитектических сплавов (сплав III) перитектическая реакция не приводит к полному затвердеванию сплава, так как наряду со вновь образовавшейся фазой α , сохраняется жидкая фаза:

Ж _а + β_в→ α _б + Ж_а (ост).

В интервале температур 2 – 3 из оставшейся жидкой фазы выделяются кристаллы α . Полное затвердевание сплава произойдет в точке 3, причем, структура сплава будет однофазная и трудно отличить кристаллы α , образовавшиеся при перитектической реакции, от кристаллов α , образовавшихся непосредственным выделением из жидкого раствора.

. Фазовые диаграммы систем с полиморфными превращениями. Фазовые диаграммы систем промежуточными, упорядоченными твердыми растворами.

Диаграммы состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком состоянии и образуют устойчивые промежуточные фазы (рис. 48).

При химическом составе сплава, отвечающем составу точки D′ , (рис. 48, а) в сплаве образуется промежуточная фаза, состав которой обозначен А_m В_n . Фаза устойчива, так как сохраняется при нагреве до температуры плавления, обозначенной точкой D. Диаграммы состояния этой фазы с чистыми компонентами А и В можно рассматривать независимо. На рис. 48, б приведена диаграмма состояния сплавов, в которых промежуточная β – фаза имеет переменный состав.

Диаграмма состояния сплавов, компоненты которых полностью растворимы в жидком состоянии и образуют неустойчивые промежуточные фазы (рис. 49).

Промежуточная фаза А_m В_n возникает в результате перитектической реакции при температуре, соответствующей линии абв . Для сплава перитектического состава (сплав I) реакция идет по формуле: Ж _а + В → А_m В_n.

При нагреве эта фаза исчезает раньше, чем сплав полностью расплавится. Она исчезнет при температуре точки б , а сплав расплавится при температуре точки 1.

В запериктектических сплавах (сплав II) реакция закончится образованием механической смеси А_m В_n + В.

Кристаллизация допериктектического сплава (сплав III) закончится в точке 3 образованием эвтектики (А + А_m В_n). Структурно свободные кристаллы А_m В_n частично образуются при периктектической реакции, а частично непосредственным выделением из жидкого сплава в интервале температур 2 –3.

Диаграмма состояния сплавов, испытывающих превращения в твердом состоянии.

Сплавы такого типа представляют большой практический интерес, так как наличие превращений в твердом состоянии дает возможность изменять структуру и, следовательно, свойства термической обработкой.

Превращения в твердом состоянии вызваны полиморфизмом одного из компонентов (рис. 50). Сплав I после полного затвердевания при температуре точки 2 в твердом состоянии в интервале температур точек 3 – 4 меняет свою кристаллическую структуру. Это вызвано полиморфизмом компонента А, который до температуры точки G – имеет тип кристаллической решетки А_α, а при температуре более высокой - А_γ такая же, как у компонента В, в результате чего между ними образуется непрерывный ряд твердых растворов γ .

В сплавах, сосав которых лежит между точками а и б, превращение γ →α при охлаждении не заканчивается и сплав остается двухфазным α + γ . Сплавы, состав которых лежит правее точки б, в твердом состоянии превращений не имеют, структура у них однофазная - γ .

Превращения в твердом состоянии вызваны переменной растворимостью твердых растворов. Одна из возможных в этом случае диаграмм состояний показана на рис.51. Принципиальное отличие этого типа диаграммы от диаграммы, показанной на рис. 43, в том, что твердые растворы α и β является твердыми растворами не только ограниченной, но и переменной растворимости.

Линии ЕР и FК – это линии растворимости, которые определяют равновесное содержание растворенного компонента при заданной температуре.

В частности, максимальное содержание компонента В в α-фазе определяется точкой Е и при охлаждении снижается до точки Р, поэтому в сплаве I , после полного затвердевания (точка 2) при дальнейшем охлаждении, начиная с температуры точки 3 из α-фазы будет выделятся избыток компонента В в виде вторичных кристаллов β – фазы , богатой компонентом В. Конечная структура сплава будет α + β_II .

Количество кристаллов β_II состава точки К будет невелико и определяется соотношением

Вторичные кристаллы обычно имеют небольшие размеры (округлой, пластичной или игольчатой формы) и могут выделятся либо по всему объему кристаллов, либо по всему объему кристаллов α-фазы. Максимальное количество кристаллов β – фазы выделяется в сплаве состава точки Е. Это количество на структурной диаграмме обозначено Х.

Для сплава II характер превращений тот же, с той разницей, что в интервале температур 1-2 кристаллизуются β – фаза, а в интервале температур точек 3-4 из нее выделяется вторичные кристаллы α-фазы состава точки р . Максимальное количество таких кристаллов выделяется в сплаве состава точки F и оно обозначено на структурной диаграмме “у”.

В эвтектическом сплаве в точке с Ж_С превращается в эвтектику (α_Е + β_Е ) .

При охлаждении в интервале температур ниже точки с состав α-фазы изменяется по линии ЕР, в результате чего выделяются вторичные кристаллы β, а состав β – фазы изменяется по линии FК; выделяются вторичные кристаллы α . При комнатной температуре состав эвтектики в сплаве будет иметь четыре слагаемых: эвтектика (α_р + β_КII + β_К + α_рII).

В структуре доэвтектических сплавов (сплав IV) помимо такой эвтектики будут кристаллы α_р, выделившиеся в интервале температур точек 1-2 и вторичные кристаллы β_II , выделившиеся при температуре ниже точки с: α_р + β_КII + эвтектика

(α_р + β_КII + β_К + α_рII).

Для сплавов заэвтектических (сплав V) помимо эвтектика в структуре сплава будут кристаллы β_К и α_рII : т.е. β_К + α_рII + эвтектика (α_р + β_КII + β_К + α_рII).

Рассмотренные превращения характерны для многих промышленных сплавов.

Превращения в твердом состоянии вызваны неустойчивостью твердого раствора α при низких температурах. Если твердый раствор превращается в смесь двух новых твердых фаз, то превращения называют эвтектоидным (рис.52).

На диаграмме показан случай, когда непосредственно после затвердевания в сплавах образуется твердый раствор α . При дальнейшем охлаждении этот твердый раствор превращается в эвтектоид, т.е. механическую смесь кристаллов А и В.